生物发酵搅拌反应釜的设计 化工设计等专业毕业设计 毕业论文.pdf

1 本科毕业设计本科毕业设计 题目 题目 生物发酵搅拌反应釜的设计生物发酵搅拌反应釜的设计 個人製作 教务处制教务处制 成绩 2 诚信声明 本人郑重声明 本人所呈交的毕业论文 设计 是在导师的指 导下独立进行研究所取得的成果 毕业论文 设计 中凡引用他人 已经发表或未发表的成果 数据 观点等 均已明确注明出处 除文中已经注明引用的内容外 不包含任何其他个人或集体已经发表 或在网上发表的论文 特此声明 论文作者签名 日 期 年 月 日 3 生物发酵搅拌反应釜的设计 摘要 在化工生产中 不锈钢反应釜广泛应用于石油 化工 橡胶 农药 染料 医药 食品等生产型用户和各种科研实验项目的研究 用来完成水解 中 和 结晶 蒸馏 蒸发 储存 氢化 烃化 聚合 缩合 加热混配 恒温反应 等工艺过程的容器 生物发酵罐是一种搅拌反应器 主要利用浆叶搅拌 使参 加反应的物料混合均匀 使气体在液相中很好地分散 强化相间的传热 传质 搅拌设备在工业生产中应用范围很广 尤其在生物发酵过程中 它是重要的操作 单元之一 反应釜按材质及用途可分为 不锈钢反应釜 搪玻璃反应釜 磁力 搅拌反应釜 不饱和聚酯树脂全套设备和蒸汽反应釜 搅拌设备由主要由釜体部 分 搅拌装置 轴封 传热装置和传动装置五大部分组成 因此如何选用合适的 反应釜型式 确立最佳的操作条件和设计合理可靠的反应釜 满足日益发展的过 程工业的需求具有十分重要的意义 本设计按照一般的反应釜设计思路和方法进行设计 根据所提供的工艺设计 参数进行机械设计 本设计的重点是结构设计和强度计算 根据所学的有关化工 设备和机械方面的知识 按照一般的反应釜设计步骤进行选型设计和结构设计 然后进行强度校核 最终使设计的反应釜能够达到要求 关键词 反应釜 生物发酵罐 搅拌 机械设计 4 Abstract In the chemical reaction kettle stainless steel production is widely used in petroleum chemical industry rubber pesticide dye medicine food and other production oriented users and various research projects to complete hydrolysis neutralization crystallization distillation evaporation storage hydrogenated alkylation polymerization condensation heating mixed with constant temperature and reaction process containers Biological fermentation tank is a stirring the reactor The main use blades stirring to take part in response to the material mixed liquid gas well in scattered strengthen and heat transfer mass transfer Mixing equipment in industrial production wide applications especially in the fermentation process it is one of the important operation unit According to the material and USES of reaction caldron can be divided into stainless steel reaction kettle glass lining reaction kettle magnetic stirrer tanks unsaturated polyester resin complete equipment and steam reactor By mixing equipment mainly consists of reactor body parts stirring shaft sealing device and heat transfer device and transmission of five Therefore how to choose appropriate reaction kettle establish the best operating conditions and the design of the reaction kettle reasonable and reliable process industry development satisfies demand has the extremely vital significance This design according to general reactor design ideas and methods to carry on the design according to provide technological design parameters mechanical design This design is the focus of the structure design and calculation according to the relevant chemical equipment and learned knowledge of machinery according to general reactor design steps and structural design selection of design and intensity eventually make the reactor can reach the design requirements Keywords reaction kettle biological fermentation tank stir mechanical design 5 序言 在化工生产过程中 为化学反应提供反应空间和反应条件的装置称为反应釜 或反应设备 为了使化学反应快速均匀进行 需对参加化学反应的物质进行充分 混合 且对物料加热或冷却 采取搅拌操作才能得到良好的效果 实现搅拌的方 法有机械搅拌 气流搅拌 射流搅拌 静态 管道 搅拌和电磁搅拌 其中机械 搅拌应用最早 至今仍被广泛采用 发酵技术在生物制药 饲料 酒精 酵母生产 酶类生产 蛋白质衍生物 碳氢化合物 饮料 活性污泥处理等过程中应用非常广泛 发酵过程可以分为有 氧发酵和无氧发酵 其中发酵设备大多采用搅拌反应釜 对于酒类和活性污泥处 理等无氧发酵过程 对搅拌强度要求非常低 而对有氧发酵过程 搅拌条件的影 响非常敏感 发酵过程中的搅拌作用会涉及到气体分散 固液悬浮 传热和混匀 等 发酵过程所使用的容器称为发酵罐 发酵罐的设计包括工艺设计和机械设计两部分 工艺设计是根据设计任务提 供的原始数据和生产工艺要求确定反应釜的主要尺寸 机械设计是根据工艺尺寸 设计反应釜的结构 选择结构材料及进行强度 刚度和稳定计算 给出反应釜的 装配图和零件图 本设计进行的是机械设计 是在工艺设计之后进行的 工艺设 计所确定的对搅拌反应釜的工艺要求是机械设计的依据 由于本设计是普通夹套 的反应釜 在设计的过程中按照一般的反应釜设计思路和步骤进行结构设计和强 度校核 以及反应釜附件的选型设计 最终是设计出来的反应釜能够达到工艺要 求 生物发酵用的搅拌反应釜的设计主要包括 4 个方面 釜体及夹套的设计 搅 拌装置的设计 传动装置的设计和轴封装置的设计 而从机械设计的角度来讲 反应釜的设计要涵盖以下内容 确定搅拌反应釜的结构形式和尺寸 选择材料 计算强度和稳定性 选用主要零部件 绘制图样 提出技术要求 这就是本设计 所遵循的设计步骤和方法 这也是比较传统的方法 原计划对局部利用 Ansys 软件进行有限元分析 但由于时间比较仓促 只好用传统的方法进行计算 6 本次设计也是对自我知识和经验不足的认识过程 查取了大量的资料 尽可能 的做好设计 但是由于自身知识的有限和经验不足 加上时间有些仓促 以至于 设计中存在着一些问题 衷心的希望看到本设计的老师们给予指正 7 目录目录 第 1 章 釜体及传热装置设计 10 1 1 釜体及封头的几何尺寸的计算 10 1 1 1 确定釜体的容积 10 1 1 2 确定釜体的长径比 10 1 1 3 确定釜体及封头的几何尺寸 11 1 2 夹套及封头的几何尺寸计算 13 1 2 1 夹套直径的确定 13 1 2 2 夹套结构的选型及连接型式 13 1 2 3 夹套的参数确定 14 1 2 4 确定夹套的高度 14 1 3 釜体 夹套及封头壁厚的计算 15 1 3 1 选择材料 确定设计压力 15 1 3 2 夹套壁厚及封头壁厚的计算 16 1 3 3 内筒体壁厚及封头壁厚的计算 16 1 3 4 水压试验校核 19 1 3 5 工艺接管口和设备的选型设计 20 第 2 章 搅拌装置及附件设计 23 2 1 搅拌轴的计算 23 2 1 1 搅拌功率的计算 23 2 1 2 搅拌轴的设计计算 24 8 2 2 搅拌器的选型及分布 27 2 2 1 上桨叶选择三叶推进式搅拌器 28 2 2 2 搅拌器上桨叶的强度校核 28 2 2 3 下桨叶选择平直叶圆盘式 29 2 2 4 搅拌器下桨叶的强度校核 30 2 3 挡板的设计 31 第 3 章 传动装置的设计 32 3 1 电动机的选择 32 3 2 减速机的选择 33 3 3 机架的选择 34 3 4 安装底盖的选择 34 3 5 联轴器的选择 35 3 6 传动轴的设计 36 3 7 凸缘法兰的选择 36 第 4 章 轴封装置的设计 37 4 1 填料的选择 37 4 2 轴封结构的选择 37 第 5 章 反应釜其它附件的选型与尺寸设计 39 5 1 视镜的选择 39 5 2 支座的选型 39 5 3 手孔的选择 40 9 5 3 1 手孔的选型结果 40 5 3 2 手孔的开孔补强计算 41 5 4 最终确定选择不锈钢 42 结论 43 参考文献 44 致谢 45 10 第 1 章 釜体及传热装置设计 1 1 釜体及封头的几何尺寸的计算 1 1 1 确定釜体的容积 选择圆柱形筒体和椭圆形封头 已知釜体操作容积 V0 0 25m 根据发酵反应时物料特性 选取装料系数 0 7 则 全容积 30 0 357 V Vm 1 1 2 确定釜体的长径比 确定长径比因考虑一下因素 长径比对搅拌功率的影响 N dj5 长径比越大 即D1 或 dj 越小 所需搅拌功率也越小 长径比对传热的影响 长径比大 可以使传热表面到釜中心的距离较小 釜内温度梯度小 有利于传热 反应过程对长径比的要求 用于发酵过程的发酵罐 为使通入的空气与 发酵液充分接触 需有足够的液深 因此要求长径比大 表 1 1 几种搅拌釜的长径比i H D1 值 种类 釜内介质接触形式 H Di 一般反应釜 液 液相或液 固相物料 1 1 3 气 液相物料 1 2 发酵罐类 气 液相物料 1 7 2 5 本设计中的反应物料为气 液相物料 且为发酵罐类 先取长径比 H Di 2 11 1 1 3 确定釜体及封头的几何尺寸 1 釜体直径的计算 釜体结构简图 图中 H 罐直筒部分高度 mm i D 罐直径 mm d 搅拌器直径 mm B 搅拌器桨距离罐底距离 m S 多个搅拌桨时的桨距 m 由筒体体积近似公式 23 2 44 ii i H VD HD D 得 12 3 3 44 0 3570 610 2 i i DVm H D 圆整到公称直径 取 DN 600mm 2 封头选型 为了制造的方便 取封头的公称直径与筒体相同 封头结构如图 图 1 1 釜体封头的结构与尺寸 根据 JB T4737 95 椭圆封头的选取结果见下表 表 1 2 筒体椭圆封头的参数 DN mm h0 mm H mm mm Vh 3 m m kg A 2 m 600 25 150 6 0 0353 20 44 0 4656 可见 封头为标准椭圆形封头 且选择可拆封头 3 确定内筒体的高度 H 已知内筒体封头的容积 Vh 0 0353m 则由 2 4 h i VV H D 得 H 1 13m 因此 取 H 1200mm 则 H Di 1200 600 2 在1 7 2 5 之内 符合要求 13 1 2 夹套及封头的几何尺寸的计算 1 2 1 夹套直径的确定 由下表 表 1 3 夹套直径与内筒体直径关系 内筒体直径 i D 500 600 700 1800 2000 3000 夹套直径 j D i D 50 i D 100 i D 200 可见 j D i D 50 600 50 650mm 1 2 2 夹套结构的选型及连接型式 1 夹套选型 由下表 表 1 4 各类型夹套的适用范围 夹套型式 温度 压力 MPa 整体夹套 350 300 0 6 1 6 半圆管夹套 280 1 0 6 3 型钢夹套 225 0 6 2 5 蜂窝夹套 250 2 5 4 0 可见 发酵罐适宜压力较小的整体夹套 型式为 型如下 图 1 2 整体夹套型式 14 2 夹套的连接型式 整体夹套和罐体有两种连接型式 即可拆卸式和不可拆卸式 而不可拆卸 式夹套连接型式有多种 考虑到罐体材质是不锈钢 而夹套是普通碳钢 在结构 上避免不锈钢罐体与碳钢的夹套直接焊接 以防止在焊缝处渗入过量碳元素使不 锈钢产生局部腐蚀 选用如下结构型式 图 1 3 夹套连接型式 1 2 3 夹套封头的参数确定 夹套封头的直径也取与夹套的直径相同 结构见图 1 1 其具体参数见下表 表 1 5 夹套椭圆封头参数 DN mm h0 mm H mm mm Vh 3 m m kg A 2 m 650 25 162 6 0 00442 23 75 0 05090 1 2 4 确定夹套的高度 Hj 15 设夹套的高度等于料液的高度 一般不应低于料液高度 计算方法与内筒 体高度计算类似 由 2 0 4 h j i VV H D 得 j H 0 869m 取 j H 900mm 1 3 釜体 夹套及封头壁厚的计算 1 3 1 选择材料 确定设计压力 1 选择筒体和夹套材料 釜体内介质为除氢氟酸 强碱以外的有机酸 无机酸 弱碱等 选用 1Cr18Ni9Ti 奥氏体不锈钢完全满足要求 在 60 时 t 105MPa 常 屈服极限 s 205MPa 2 确定夹套的设计压力 对于大多数动物酶的最适温度为37 一40 植物酶的最适温度50 一60 对于体内和夹套内 的设计温度均为60 设夹套为一内压容器 取设计压力为夹套的工作压力的最高工作压 力 即 Pj 0 4MPa 3 确定内筒体的压力 内筒体和底封头既受内压又外压的作用 图 1 3 压力示意图 按内压取设计压力为 i P 0 25MPa 按外压取设计压力 j P 0 4MP 考虑操作过 程可能出现的最大压差 Pi Pj 16 1 3 2 夹套壁厚及封头的壁厚计算 1 夹套壁厚计算 夹套只受内压的作用 故其按照内压设计 根据内压壁厚计算公式 2 jj j t j p D p 得 j mm46 1 6 085 01052 6504 0 夹套采用双面焊 局部探伤检查 查 化工容器及设备简明设计手册 得焊 接接头系数0 85 取钢板的厚度负偏差 C1 0 8mm 腐蚀裕量 C2 1mm 故厚度附加量 C C1 C2 1 8mm 1 46 1 83 26 j Cmm 根据钢板的规格 取夹套的名义厚度 4 nj mm 2 夹套封头壁厚计算 由夹套封头的壁厚计算公式 20 5 jj kj t j p D p 计算得 mm kj 46 1 6 05 085 01052 6504 0 取厚度附加量 12 1 8CCCmm 1 46 1 83 26 kj Cmm 确定取夹套封头壁厚与夹套壁厚相同 即4 nkj mm 1 3 3 内筒体壁厚及封头的壁厚计算 1 内筒体壁厚计算 1 按承受 0 25MPa 内压计算 焊缝系数同夹套一样 取0 85 则由内筒体体壁厚计算公式得 17 2 ii t i p D p 得 mm911 0 25 085 01052 65025 0 12 0 3 1CCmm 取经过圆整 3 n mm 2 按承受 0 6MPa 外压计算 设内筒体名义厚度 12 6 0 8 1 n mm CCmm 即1 8Cmm 则 61 84 2 en Cmm 内筒体外径 0 2600 12612 in DDmm 内筒体长度 01 22 212002 251621358 33 j LHhh mm 则 0 1358 2 21 612 L D 0612 145 7 4 2 E D 根据图算法 查 化工设备设计基础 图 3 14 几何参数计算图 得 A 0 00034 根据 A 查图 3 16 外压圆筒和球壳厚度计算图 得 B 45MPa 此时许用外压 0 45 4 2 0 3080 4 612 e B pMPaMPa D 因此 取6 n mm 不能满足内筒体稳定性要求 再假设内筒体名义厚度 12 8 0 8 1 n mm CCmm 即1 8Cmm 则 8 1 86 2 en Cmm 内筒体外径 0 2600 16616 in DDmm 内筒体长度 L 1358mm 则 18 0 1358 2 20 616 L D 0616 99 35 6 2 E D 根据图算法 查 化工设备设计基础 图 3 14 得 A 0 00052 根据 A 查 3 16 得 B 69MPa 此时许用外压 0 69 6 2 0 6940 4 616 e B pMPaMPa D 因此 取8 n mm 能满足内筒体稳定性要求 取内筒体的壁厚为 8mm 2 内筒体封头壁厚计算 考虑到加工制造方便 取封头与筒体壁厚相同 即取封头名义厚度 8 nk mm 按内压计算肯定满足强度要求 下面 仅按封头手外压情况进行 校核 封头的有效厚度8 1 86 2 e mm 椭圆形封头的当量球壳内半径 Ri 当量曲率半径 表 1 5 椭圆封头的当量曲率半径折算表 1 2 i Dh 2 6 2 4 2 2 2 0 1 8 1 6 1 4 1 2 1 0 k 1 18 1 08 0 99 0 90 0 81 0 73 0 65 0 57 0 50 600 1 85 22 162 i D h 说明封头为非标准椭圆封头 故 0 83600498 ii RkDmm mmRR nki 41416498 0 由 0 0 125 e A R 得 A 0 0002415 查得 B 33MPa 则 19 33 6 2 0 4940 4 414 e i B pMPaMPa R 故封头壁厚取 8mm 可以满足稳定要求 1 3 4 水压试验校核 1 试验压力的计算 液压试验压力 1 2 5 t p T p 0 1p 取两者较大者 式中 pT 试验压力 MPa p 设计压力 MPa 容器元件材料在试验温度下的许用应力 MPa t 容器元件材料在设计温度下的许用应力 MPa 对于筒体 已知 p 0 25MPa t 105MPa 113MPa 取水压试验温度为 25 最后算得 0 27 T pMPa 对于夹套 已知 已知 p 0 4MPa t 105MPa 113MPa 取水压试验温度为 25 最后算得 0 43 T pMPa 2 内压试验校核 内筒体应力 0 25 6008 11 18 22 8 0 85 Tie Ti e pD MPa 20 夹套应力 0 43 608 4 38 7 22 4 0 85 Tjej Tj ej p D MPa 对于液压试验 此应力值不得超过该试验压力温度下材料屈服强度的90 而 90 90 205184 5 s MPa 故内筒和夹套均满足水压试验室的应力要求 3 外压试验校核 由前面的计算知 内筒体许用外压 0 694pMPa 大于夹套 0 43MPa 的水压试验压力 故 在做夹套的试验压力时 满足水压实验要求的压力 1 3 5 工艺接管口和设备的选型设计 1 接管的选型设计 本设计的接管主要有 进料管 出料管 水进口管 水出口管 温度计套 管 压力计接管 以出料管为例 进行选型设计 1 出料管选用 38 3 5 的接管 管长 150 材料选用无缝不锈钢钢管 结构示意图 图 1 3 出料管结构 mmD90 min 21 2 法兰连接的垫片材料 石棉橡胶 HG 20606 97 全平面形式 垫片内径 D1 38mm 外径 D2 76mm 2mm 3 接管连接法兰 选择板式平焊法兰 HG 20593 1997 PL76 3 5 RF 结构示意图如下 图 1 4 板式平焊法兰 表 1 6 法兰结构尺寸 公 称 直 径 DN 接 管 外 径 A 连 接 尺 寸 法兰厚 度C 法兰 内径 B 坡 口 宽 度 b D K L n Th 32 38 120 90 14 4 M12 16 39 0 4 螺栓 螺栓 GB T 5782 2000 M12 60 n 4 材料为 35 钢 5 螺母 螺母 M12 GB T 6170 2000 n 4 材料为 Q235 A 6 垫圈 垫圈 GB T 97 1 1985 12 A140 材料为 Q235 A 表 1 7 法兰 垫片 螺栓 螺母的材料 法 兰 垫 片 螺 栓 螺 母 垫 圈 Q235 A 橡胶石棉 Q235 A Q235 A 100HV 其他接管的选型结果与出料口相同 2 封头与筒体的链接法兰 22 1 选择长颈法兰 JB T4703 DN600 PN 0 6 材料为 1Cr18Ni9Ti 锻件 数量 2 个 选择 PI 型密封面 表 1 8 长颈法兰的尺寸 公 称 直径 DN mm 法兰 mm 螺柱 对 接 筒 体 最 小 厚度 D 1 D 2 D 3 D 4 D H h a 1 a 1 2 R d 600 740 700 665 655 652 44 105 25 17 14 12 22 12 23 M20 x28 6 2 垫片 DN 600 JB 4707 92 d 603mm D 639mm 3mm 为金属包垫片 材料是 0Cr13 镀锌薄钢板 图 1 5 垫片的结构 表 1 9 垫片的尺寸 mmD 0 mmdi mm 639 603 3 3 螺柱 选择等长双头螺柱 B 级 GB T 901 1988 M20 220 材料为 40Cr 数量 n 20 4 螺母 GB T 6170 2000 M24 材料为 35 钢 数量 40 5 垫圈 选择平垫圈 GB97 1 1985 24 A140 材料为 Q235 A 数量 n 40 23 第 2 章 搅拌装置及附件设计 2 1 搅拌轴的计算 2 1 1 搅拌功率的计算 搅拌轴选用的材料是 45 钢 正火处理 S 355MPa b 600MPa E 2 10 5 10MPa G 8 1 4 10MPa MPa s 118 3 s 分别从四方面对轴进 行计算和校核 搅拌功率的计算 35 N NKn d 式中 N K 功率数 被搅拌介质密度 kg m 3 n 搅拌器转速 r s d 搅拌器直径 mm d 0 25 0 75 j D 对于通气式搅拌发酵罐 其搅拌器的要求既要有较强的剪切力 又要 有较大的流体循环特性 故本发酵罐采用径向流和轴向流结合的多层搅拌 桨组合式的搅拌系统 上层采用循环量大的轴向流三叶推进式搅拌器 下 层采用剪切力强的圆盘式涡轮径流型搅拌器 1 下层搅拌器 取d 200mm 桨端速度 v 5 4m s 选取平直叶圆盘式搅拌 器 具体结构见下面 釜体内物质粘度0 2 密度 3 1000 kg m 则 2 e R d n 24 得 e R1720 由 Re 查1 18 N K 从而计算出搅拌功率 KWdnKN N 24 02 0 2 014 3 4 5 1018 1 53353 1 2 上层搅拌器 取d 200mm 桨端速度 v 5 4m s 选取三窄叶旋桨式搅拌 器 具体结构见下面 釜体内物质粘度0 2 密度 3 1000 kg m 则 2 e R d n 得 e R1720 由 Re 查3 6 N K 从而计算出搅拌功率 KWdnKN N 73 02 0 2 014 3 4 5 106 3 53353 2 搅拌总功率 KWNNN97 0 21 2 1 2 搅拌轴的设计计算 1 按允许的扭转变形计算 4 1 4 155 43 1 s a T d GK 式中 G 轴的剪切弹性模量 MPa K 空心轴内径与外径之比 n 130r min Ts 搅拌扭矩 N m a 许用扭转角 m 由于轴底端无支撑 a 0 35 m 25 0 97 9550955018 5 4 60 3 14 0 2 s N TNm n 已知从而 计算出 1 2 4 6 7dm m 2 按扭矩计算轴的强度 max p t W M 式中 max 截面上最大剪切应力 Pa t M 轴传递的扭矩 Nm t W 抗扭断面系数 3 m 降低后的扭转许用剪应力 MPa 其数值可参考下表 材料 A3 20 A5 35 45 40Cr 1Cr13 TiNiCr9181 12 20 20 30 30 40 40 52 18 24 15 25 则对于实心轴的直径 3 1 365 n N d m 式中 d 搅拌器的直径 m P 电机功率 Kw n 搅拌器的转速 min r 其中 30MPa 经计算 d14 5mm 3 按扭矩和弯矩合成计算轴的强度 搅拌轴上最大扭矩 n P Mt 0 max 9553000 最大弯矩 maxihb LFM 26 液体动力产生的最大径向力 j s nd fN F 0 h 2888000 所以 用剪应力计算的最小直径 3 1 2 max 2 max 16 bt s MM d 用拉应力计算的最小直径 3 1 s 2 max 2 maxmax 4 16 btb t MMM d 式中 i L 第 i 个叶轮的流体动力作用点至最下一个轴承的距离 mm maxt M 作用在搅拌轴上最大扭矩 N mm 0 N 一个叶轮的搅拌功率 kW j d 叶轮直径 mm s 正常操作下轴的需用拉力 MPa s f 搅拌系数 搅拌等级低于 7 时 取 1 计算得 mmds4 16 mmdt7 13 4 按临界转速计算 临界转速 s cr WaLL E dn 7 114 1 2 1 2 式中 cr n 临界转速 min 737 7 0 r n ncr 取min 737rncr 在 S 点处所有相当质量总和 2 1i is WWW 第 i 个搅拌器有效质量 ie m在末端 S 点处相当质量 i W ie ii i m aLL aLL W 1 2 1 2 悬臂轴有效质量 9 1 2 1 102 4 seL Ldm 搅拌器有效质量 92 10cos 4 iiJikiiie hDmm 式中 ki 第 i 个搅拌器的附加质量系数 17 0 2 k 53 0 1 k 27 Ji D 第 i 个搅拌器直径 mm i h 第 i 个搅拌器叶片宽度 mm 轴有效质量 ie m在末端 S 点处的相当质量 eL m aL LaLa W 1 2 1 2 11 2 420 99231140 式中 a 悬臂轴两支点间的距离 mm 1 L 2 L 第 1 2 个搅拌器的每个悬臂长度 mm s 轴材料密度 33 1085 7mKg s 对于悬臂轴满足的支撑条件 50 40 5 4 1 1 d L a L 1 L 1250mm mm L a250 5 1 取mma200 且mmd31 计算出 4 24 66dmm 搅拌轴的设计计算结果 选取搅拌轴的轴径为 d 30mm 材料为 45 钢 均大于 1 d 2 d 3 d 4 d 满 足要求 2 2 搅拌器的选型及分布 对于生物搅拌发酵罐 搅拌器既要有较强剪切力 又要有较大的流体循环 特性 采取单一的径流型搅拌器是达不到要求的 故本反应罐采用了径向流和轴 向流相结合的双层搅拌桨组合式搅拌系统 上层采用三叶推进式 下层采用平直 叶圆盘式 2 2 1 上浆叶选择三叶推进式搅拌器 28 1 搅拌器结构示意图如下 图 2 1 三叶推进式搅拌器 搅拌器的的具体尺寸见下表 表 2 1 三窄叶叶桨式搅拌器的尺寸 HG T3796 8 2005 J D d 2 d h 1 b t 2 许用扭矩 M 质量 G 200 30 60 55 38 5 M12 10 8 33 3 5 48 1 9 2 2 2 搅拌器上桨叶的强度校核 搅拌器桨叶的材料为 Q235 B 扁钢 桨叶数量 Z 3 按照许用弯曲应力进 行校核 1 弯许用应力 t b b MPa n 1 d 29 表 2 2 安全系数 b n 材料 不锈钢 铸不锈钢 碳钢 铸钢 铸铁 b n 3 5 5 3 4 2 8 Q235 材料的 t b 为 375MPa 故选取 b n 3 计算得 125MPa 2 桨叶上承受的弯矩 0 73 477747776 76 516 a I P MNm n 1 在 Y Y 轴的抗弯截面模数 Z W 桨叶无加强筋加强 223 1 11 8 10133 66 Z Wbmm 2 弯曲应力 3 10 50 82 I I I M MPa W 可见 桨叶的强度满足要求 2 2 3 下桨叶选择平直叶圆盘式 搅拌器结构示意图如下 图 2 2 平直叶圆盘式搅拌器 30 搅拌器的的具体尺寸见下表 表 2 1 平直叶圆盘式搅拌器的尺寸 HG T3796 5 2005 d 2 d 1 D 1 d 0 d 1 B h 2 h L b t M G 200 30 45 130 M6 2 3 40 40 10 50 8 33 3 126 0 8 2 2 4 搅拌器下桨叶的强度校核 搅拌器桨叶的材料为 Q235 B 扁钢 桨叶数量 Z 3 按照许用弯曲应力进 行校核 1 桨叶上承受的弯矩 每个叶片危险断面 I I 上的弯矩值为 n N x rx M j 0 30 1 5 9 1 N mm 其中 3 2 3 1 4 2 4 1 0 4 3 rr rr x 1 r100mm 2 r50mm 3 r65mm 经计算mmx4 80 0 mmNM 85 0 2 弯曲应力 抗弯截面模数 223 1 11 40 360 66 Z Wbmm 弯曲应力 3 10 14 17 I I I M MPa W 可见 桨叶的强度满足要求 2 25 桨叶分布设计 对于通气式搅拌反应罐 上层采用轴流式搅拌器 下层采用径流型搅拌器 既满足气泡的分散 又能促进全罐的混合 分布选择 令mmD600 mmDC3005 0 mmDS75025 1 mmH1550 2 J D 31 2 3 挡板的设计 由于釜内物质粘度不大 选择把挡板装在壁上 挡板类型选择 B 型 挡板 数量4 b Z 挡板材料选取 1Cr18Ni9Ti 材料 挡板结构示意图如下 图 2 2 B 型挡板 挡板宽度 mmDW ib 20 10 1 挡板距筒体距离 mmWS bb 63 0 挡板高度 mmHb800 32 第 3 章 传动装置的设计 搅拌釜的传动装置一般包括 电动机 减速器 联轴器 机座及传动轴 电动机经减速器将转速降低 再通过联轴器带动搅拌轴旋转 从而带动搅拌器 转动 整个传动装置连同机座及轴封装置都安装在底座上 图 3 1 传动装置 3 1 电动机的选择 传动系统的机械效率取为0 93 则 电动机功率KW N N e 04 1 参考电机系列 选取型号为 JB T 5271 1991 Y801 2 V1型安装 功率为KWN1 1 电机同步转速 1500r min 满载时转速 1400r min 重量为 27Kg 33 3 2 减速机的选择 根据电机的功率KWN1 1 搅拌轴的转速n 516min r 传动比i为 1500 516 2 91 选用 DC 系列圆柱齿轮减速机 JB T2982 1994 标记 DC215 14 确定其安装尺寸 圆柱齿轮星减速机的外形见图 安装尺寸如表 图 3 2 DC 系列圆柱齿轮减速机 减速机外形安装尺寸见下表 表 3 1 减速机的外形安装尺寸 G F D 1 H H 1 D 2 D 3 D l 77 53 5 275 229 474 54 9 200 230 260 75 l 0 M b t 1 d 1 a 1 b 0 dn 65 2 M6 8 26 25 4 5 6 18 34 3 3 机架的选择 由于反应釜传来的轴向力不大 减速机输出轴使用了带短节的夹壳联轴节 填料密封箱内有轴承 故选用单支点机架 A 型 HG21566 95 由搅拌轴的直 径d 30mm 可知 机架的公称直径DN200 结构如图所示 图 3 3 单支点机架 表 3 2 单支点机架尺寸表 mm 公称 直径 传动轴 直径 1 D 2 D 3 D 4 D 5 D n H 3 H 轴承 型号 重量 kg 200 30 245 295 340 330 360 822 575 220 46208 44 3 4 安装底盖的选择 安装底座选择 DN250 RS HG21565 95 材料为 16MnR 重量为 22kg 35 图 3 4 安装底盖示意图 表 3 3 外形尺寸 底 座 公称 直 径 mm 机架公称直 径 mm 2 d mm K 螺柱孔 S 数量 5 d 200 200 340 295 8 22 40 3 5 联轴器的选择 选择 C 型凸缘联轴器 HG 21570 95 联轴器示意图和尺寸图如下 图 3 5 C 型凸缘联轴器 表 3 4 C 型凸缘联轴器尺寸表 mm 轴径 D L1 L2 L 许用扭矩 N m 许用转速 N m 质量 kg 30 120 50 55 155 46 2200 7 47 3 6 传动轴的设计 36 传动轴直径与搅拌轴直径相同 DN 30mm 选取结果为 HG 21568 95 ASC 250 50 材 料为 45 钢 上端轴径mmd20 1 釜内轴长 mmL250 下端轴径mmd25 2 图 3 6 传动轴零件图 3 7 凸缘法兰的选择 凸缘法兰选择 R 型凸缘法兰 HG21564 95 材料为 16Mn 凸缘法兰的连接 尺寸和法兰厚度按 HG20615 97 和 HG20624 97 标准 其他尺寸公差按 GB T1804 选型结果为 HG21564 95 法兰 R 200 16Mn 表 3 5 凸缘法兰的尺寸表 mm DN 1 d 2 d 3 d 4 d k 1 h 200 200 340 220 245 295 34 2 h 4 h 5 d 1 R 2 R 螺栓 质量 kg 65 4 22 4 2 208M 19 图 3 7 R 型凸缘法兰 37 第 4 章 轴封装置的设计 4 1 填料的选择 本设计轴封结构选择填料密封 由于釜体内介质多为多为酸 碱等腐蚀性 物质 决定选用石棉浸四氟乙烯填料 填料规格为 10 10 4 2 轴封结构的选择 经过慎重考虑 轴封装置选用不锈钢填料箱 结果表示 PN0 6 DN30 HG2153 7 92 3 轴封装置的结构图 图 4 1 碳钢填料箱 38 表 4 1 碳钢填料箱 表 4 2 碳钢填料箱参数 mm d 1 d D 1 D H 1 H 螺孔 填料 重量 kg 30 50 80 105 96 42 104M 10 10 3 5 39 第 5 章 反应釜其他附件的选型与尺寸设计 5 1 视镜的选择 视镜选型结果为 带颈视镜 PN1 0 DN80 HGJ502 86 4 视镜结构如图 图 5 1 视镜结构 表 5 3 视镜的尺寸 DN 视镜玻璃 Sdn D 1 D 1 b 2 b h H d 1 H 双头螺柱 数 量 直径 长度 80 89 4 160 130 24 24 70 89 120 6 M12 90 表 5 4 视镜的材料 件 号 名称 数量 材料 件号 名称 数量 材料 1 视镜玻璃 1 硼硅玻璃 4 压紧环 1 Q235 A 2 衬 垫 2 石棉橡胶板 5 双头螺 柱 6 Q235 A 3 接 缘 1 Q235 A 6 螺母 12 Q235 A 5 2 支座的选型 40 选择耳式支座 A6 型 DN1900 JB T 4725 92 4 个 材料为 Q235 A F 标记 JB T4725 92 耳座 A6 材料 Q235 A F 表 5 5 A 型耳式支座的尺寸 mm H 底板 筋板 垫板 地脚螺栓 支座 重量 1 l 1 b 1 1 S 2 l 2 b 2 3 l 3 b 3 e d 规格 kg 160 125 80 8 40 100 250 5 200 160 6 24 24 M20 3 0 5 3 手孔的选择 5 3 1 手孔的选型结果 手孔选择的是板式平焊法兰手孔 HG21526 95 PN 0 6MPa DN 450mm 筒节材料为 1Cr18Ni9Ti 选型结果 手孔 XI 150 HG21529 2005 图 5 2 板式平焊法兰手孔结构 1 筒节 2 螺母 3 螺栓 4 法兰 5 垫片 6 法兰盖 7 把手 41 表 5 1 带盖平焊法兰手孔的尺寸表 公称压力 MPa 密封面 形式 公称直 径DN Sdw D 1 D 螺柱 螺栓 直径 长度 规格 数量 0 6 突面 150 159 4 5 265 225 M16 90 M16x70 8 1 H 2 H b 1 b 2 b 160 86 20 18 20 5 3 2 手孔的开孔补强计算 筒节名义厚度 mm nt 5 4 开孔直径mmCDNd154221502 椭圆型封头因开孔削弱所需补强面积为 2 1 ntr AdCf 其中 因为手孔筒节和封头为同种材料 所以 et r t f 1 封头的开孔计算厚度为2 2